Потенциальная энергия электрона в кристалле Потенциальная энергия электрона в кристалле и модель Кронига и Пенни и модель Кронига и Пенни. - презентация

1 Потенциальная энергия электрона в кристалле Потенциальная энергия электрона в кристалле и модель Кронига и Пенни и модель Кронига и Пенни

2

3 Зонная структура энергии электронов в кристалле Распределение электронов Распределение электронов по энергиям и уровень по энергиям и уровень Ферми Ферми

4

5 §5 ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ

6

7

8 §6 ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Зонная диаграмма двойной гетероструктуры

9 a - одномерная прямоугольная потенциальная яма, U(x) - потенциальная энергия; b - прямоугольная потенциальная яма отличается от случая a только большей шириной s. a - одномерная прямоугольная потенциальная яма, U(x) - потенциальная энергия; b - прямоугольная потенциальная яма отличается от случая a только большей шириной s.

10 Уменьшение толщины слоя материала B приводит к появлению уровней размерного квантования (Ec и Ev - края зоны проводимости и валентной зоны, соответствено, Ee и Eh - уровни размерного квантования для электронов и дырок). Энергетический спектр определяет спектр излучения структуры и, таким образом, энергия испускаемого при рекомбинации электрона и дырки фотона (E 1 и E 2 на схемах слева и справа) определяется уже не только ширинами запрещенных зон материалов A и B, но и шириной слоя (потенциальной ямы), поэтому E 2 > E 1. Примечание. Уровней энергии для дырки в более мелкой потенциальной яме больше, чем для электрона в более глубокой, так как эффективная масса у дырки больше, чем у электрона. Уменьшение толщины слоя материала B приводит к появлению уровней размерного квантования (Ec и Ev - края зоны проводимости и валентной зоны, соответствено, Ee и Eh - уровни размерного квантования для электронов и дырок). Энергетический спектр определяет спектр излучения структуры и, таким образом, энергия испускаемого при рекомбинации электрона и дырки фотона (E 1 и E 2 на схемах слева и справа) определяется уже не только ширинами запрещенных зон материалов A и B, но и шириной слоя (потенциальной ямы), поэтому E 2 > E 1. Примечание. Уровней энергии для дырки в более мелкой потенциальной яме больше, чем для электрона в более глубокой, так как эффективная масса у дырки больше, чем у электрона.

11 Схематическое изображение первого в мире полупроводникового лазера (полоскового), работавшего в непрерывном режиме при комнатной температуре (Алферов, 1970). Схематическое изображение первого в мире полупроводникового лазера (полоскового), работавшего в непрерывном режиме при комнатной температуре (Алферов, 1970).

12 Квантовые ямы- квазидвумерные структуры, нити – квазиодномерные, точки - квазинульмерные

13 §7 Квантовые точки Это гигантская молекула размером порядка 1 нм Это гигантская молекула размером порядка 1 нм Состоит из атомов, созданные на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe Состоит из атомов, созданные на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe Квантовая точка: почему квазинульмерная?... «Захватывает» электрон и ограничивает его движениеэто энергетическая ловушка нанометрового размера! «Захватывает» электрон и ограничивает его движениеэто энергетическая ловушка нанометрового размера!

14 В чем же суть квантовых точек? искусственные аналоги атомов водорода, гелия и других элементов+их положительно и отрицательно заряженные ионы искусственные аналоги атомов водорода, гелия и других элементов+их положительно и отрицательно заряженные ионы КТ позволяют управлять свойствами квантовых объектов! КТ позволяют управлять свойствами квантовых объектов! Возможность возбуждать в КТ необходимые электронные состояния Возможность возбуждать в КТ необходимые электронные состояния

15 Как выращивают квантовые точки? Центральный объект- гетеронаноструктуры с квантовыми ямами и квантовыми сверхрешетками из таких ям на основе арсенида галлия (GaAs) и его твердых растворов разного состава. Центральный объект- гетеронаноструктуры с квантовыми ямами и квантовыми сверхрешетками из таких ям на основе арсенида галлия (GaAs) и его твердых растворов разного состава. Способы выращивания: как часть большого полупроводникового кристалла как часть большого полупроводникового кристалла синтезировать в виде отдельных наночастиц синтезировать в виде отдельных наночастиц Изображение квантовых точек InAs в матрице GaAs (вид сверху), полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии

16 Наиболее яркие представители КТ: InGaAs (индий-галлий- арсенидовые) КТ «большие» КТ, размер50 нм, состоят из1 млн. атомов In, Ga, As InGaAs (индий-галлий- арсенидовые) КТ «большие» КТ, размер50 нм, состоят из1 млн. атомов In, Ga, As CdSe(кадмий-селеновые) КТразмер несколько нм CdSe(кадмий-селеновые) КТразмер несколько нм

17 Творцы КТ: Японские исследователи Я.Аракава и Х.Сакаки в начале 80-х г.г.указали роль КТ для улучшения работы полупроводниковых лазеров 1986 год- первые попытки создания полупроводниковых квазинульмерных объектов на основе GaAs учеными из «Texas Instruments» во главе М.А.Ридом методом литографииони получены КТ 250 нм. В «Bell Laboratories» достигли нм. 30-е г.г.- идея самоорганизации КТ, высказанная Странски и Крастановым. 90- г.г.- группа академика Ж.И.Алферова в сотрудничестве с группой профессора Д.Бимберга из Берлина продемонстрировала эффективную работу лазера на InGaAs/GaAs КТ

18 Самоорганизация КТ Метод самоорганизации (метод Странски Крастанова) при некоторых условиях во время осаждения вещества на гладкую поверхность могут образовываться островки.

19 Изображение КТ PbSe на поверхности слоя PbTe Изображение поверхности слоя СКТ InAs/ GaAs Самоорганизованный рост

20 Светлое будущее КТ инжекционные полупроводниковые лазеры для волоконно-оптических линий связи инжекционные полупроводниковые лазеры для волоконно-оптических линий связи использование КТ для оптоэлектронной памяти нового типа или в спинтронике использование КТ для оптоэлектронной памяти нового типа или в спинтронике КТ в роли источников единичных фотонов квантовой криптографии КТ в роли источников единичных фотонов квантовой криптографии Схема инжекционного полупроводникового лазера на СКТ

21 Излучение света на квантовых точках новый вид оптоэлектронных устройств, который может привести к созданию качественно новых плоских дисплеев, способных заменить ЖК. Излучение света с 25-ти кратным улучшением излучательной способности! новый вид оптоэлектронных устройств, который может привести к созданию качественно новых плоских дисплеев, способных заменить ЖК. Излучение света с 25-ти кратным улучшением излучательной способности! Поверхность органического светодиода на КТ

22 Двойные квантовые точки Схематическое представление профиля потенциала для электронов ( а ) и дырок ( b ) вдоль направления роста цепочек QD. Эта конфигурация позволяет селективно создавать/разрушать электрон-дырочные пары (экситоны) в точках a и b. Однако, ширина энергетического барьера между точками (50 Е) такова, что предотвращает одночастичное туннелирование и в то же время допускает важное кулоновское взаимодействие между точками. Схематическое представление профиля потенциала для электронов ( а ) и дырок ( b ) вдоль направления роста цепочек QD. Эта конфигурация позволяет селективно создавать/разрушать электрон-дырочные пары (экситоны) в точках a и b. Однако, ширина энергетического барьера между точками (50 Е) такова, что предотвращает одночастичное туннелирование и в то же время допускает важное кулоновское взаимодействие между точками.

23 «Физический минимум» на начало XXI века «Физический минимум» на начало XXI века Макрофизика Макрофизика 1. Управляемый ядерный синтез. 2. Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость. 3. Металлический водород. Другие экзотические вещества. 4. Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты). 5. Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктуры в полупроводниках, переходы металлдиэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика). 6. Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах. 7. Физика поверхности. Кластеры. 8. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики. 9. Фуллерены. Нанотрубки. 10. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях. 11. Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы. 12. Разеры, гразеры, сверхмощные лазеры. 13. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра. 14. Квантовые компьютеры.

24 Микрофизика Микрофизика 15. Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. Кварк-глюонная плазма. 16. Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W–+- и Z0-бозоны. Лептоны. 17. Стандартная модель. Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи. 18. Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры. 19. Несохранение СР-инвариантности. 20. Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме. 21. Струны. М-теория.

25 Астрофизика Астрофизика 22. Экспериментальная проверка общей теории относительности. 23. Гравитационные волны, их детектирование. 24. Космологическая проблема. Инфляция. L-член. Связь между космологией и физикой высоких энергий. 25. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды. 26. Черные дыры. Космические струны(?). 27. Квазары и ядра галактик. Образование галактик. 28. Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирования. 29. Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией. 30. Гамма-всплески. Гиперновые. 31. Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции.